張智敏
上??臻g推進研究所,上海 200233
在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的研究過程中,流量已成為一個不可缺少的參數(shù)。通過各種方法可以獲取流量參數(shù),在分析流量參數(shù)后,調(diào)整工業(yè)生產(chǎn)過程和設(shè)計研發(fā)方法以達(dá)到科研或生產(chǎn)的最終目地。火箭發(fā)動機試車的特殊要求和試車環(huán)境,常選用的流量測量方法有以下四種:壓差法,如孔板、文氏管;速流法,如渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器;測量液面法;動態(tài)稱量法。傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計和渦輪流量計應(yīng)用非常廣泛,但受限于其設(shè)計原理,對于小流量和脈沖流量,尤其是短脈沖流量的測量作用有限,而體積管流量測量法在這方面則有其獨特的優(yōu)勢。由于體積管容量有限,在實際應(yīng)用中需頻繁對體積管進行加注,所以加注過程實現(xiàn)自動化是一件非常必要的事情。
體積管測量流量的原理是將推進劑存放在一根內(nèi)徑均勻的中空管中,測量發(fā)動機工作前后管內(nèi)推進劑液位的高度差,算出消耗的推進劑體積,再由發(fā)動機工作的時間或脈沖數(shù),得到平均的流量值或每個脈沖的平均耗量。因為是通過測量推進劑的體積,再計算得到流量,所以稱為體積管流量測量法。
對體積管的標(biāo)定實際就是測量計算鋼管的斜率(k)值,由于鋼管在生產(chǎn)安裝過程中,不能保證鋼管內(nèi)徑上下完全一致,因此,如果簡單地由液位高度和體積的正比關(guān)系,直接用k值來計算流量,可能會產(chǎn)生較大的誤差,影響測量精度。理論上采用插值法計算,可以減小誤差。
插值法就是將鋼管均勻的劃分為若干小段,每段有自己獨立的k值和測量范圍,所有的k值和量程形成一個插值表,由于劃分較細(xì),每一端都可以認(rèn)為是內(nèi)徑均勻,在各段量程范圍內(nèi)都可以直接用其k值計算,如起始液位輸出電壓值Vs處于V1和V2之間,發(fā)動機工作時間t后液位輸出值Ve處于V4和V5之間,則發(fā)動機工作時間內(nèi)的平均流量為:
由于上述計算較為復(fù)雜,在實際應(yīng)用中,應(yīng)采用內(nèi)徑高度均勻的中空管,使各段的k值盡量一致。上述過程必須通過對體積管標(biāo)定來得到驗證,在標(biāo)定過程中,得到每段的k值并進行分析。當(dāng)(1)式中k1≈k2≈k3≈k4≈k時,其變換為:
在試車過程中,流量是非常重要的數(shù)據(jù)。穩(wěn)態(tài)流量可以用渦輪流量計、質(zhì)量流量計等,其數(shù)據(jù)的測量也方便,流量計設(shè)置好后,測量過程中也不用人工干預(yù)了。而對于小流量和脈沖流量的測量,目前常用的方法是容積法和稱重法,該裝置采用的是容積法,它主要由大容器、體積管、管路、閥門、發(fā)動機構(gòu)成。
圖1 體積管測流量裝置的構(gòu)成
在相同的密度下,質(zhì)量流量與體積成正比,體積管有由一根內(nèi)徑高度均勻的不銹鋼管制成,所以流量測量最終轉(zhuǎn)化成液位高度的測量。
液位高度測量采用巴魯夫的BTL系列的微脈沖位移傳感器。其檢測元件(波導(dǎo)管)由特種鎳鐵合金制成,內(nèi)徑0.5mm,外徑0.7mm。管內(nèi)設(shè)有一根銅導(dǎo)線。由一個瞬時電流脈沖啟動檢測過程。該電流產(chǎn)生了一個圍繞波導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)的圓形磁場。在被測位置作為標(biāo)示塊的永磁鐵,其磁力線垂直于電磁場。在兩個磁場交會的波導(dǎo)管中,由于磁致伸縮效應(yīng)使波導(dǎo)管(在極小范圍內(nèi))產(chǎn)生了一個彈性形變,并以機械波的形式沿波導(dǎo)管同時向兩個方向傳播。在波導(dǎo)管中,機械波的傳播速度為2830 m/s,幾乎不受環(huán)境的影響(如溫度、沖擊、污染等)。到達(dá)波導(dǎo)管遠(yuǎn)端的機械波在那里衰減,而到達(dá)信號轉(zhuǎn)換器的機械波由磁致伸縮的反效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號。從波發(fā)生點到信號轉(zhuǎn)換器機械波傳播的時間與磁鐵到信號轉(zhuǎn)換器的距離直接對應(yīng)。通過檢測時間,可以高精度地測出距離。
體積管測量裝置的工作過程大致如下:對體積管進行加注→記錄初始電流I1→進行試車→記錄末電流I2→對體積管進行加注→……。
加注過程中所開閥門為:燃加注、燃放氣、燃試車。
試車過程中,需容積法測量流量時所開閥門為:燃增壓、燃主、燃試車、燃閥。其中燃閥、燃主由程序控制。
試車過程中,不需容積法測量流量時所開閥門為:燃加注、燃主、燃閥。其中燃閥、燃主由程序控制。
早期液位加注中采用了提示音的方法,但還是不能完全消除誤操作。第一,對時間較長的試車,人員疲勞,而不同過程的閥門操作需有人來判斷;第二,容器和體積管中的壓力是不定的,這導(dǎo)致了對體積管加注速度的不定性,使操作難度加大。這需要用新的方法來解決。
圖2 壓差控制原理
當(dāng)對體積管進行加注時,其流量取決與P1與P2的差值,其公式為:
式中K為系數(shù),q為流量。所以控制住壓差,就能控制住流量。
3.2.1 硬件構(gòu)成
基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統(tǒng)的硬件組成為:
1)PCI-1710多功能卡一塊,用于體積管液位信號的反饋;
2)PCI-1756數(shù)字I/O卡一塊,用于控制與體積管加注相關(guān)的閥門;
3)微型計算機一臺,用于軟件編程,界面的顯示與控制;
4)C200HS可編程序控制器一臺,控制與發(fā)動機試車相關(guān)的閥門。
圖3 液位加注系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
3.2.2 軟件與控制界面
基于LabVIEW平臺的壓差控制液位加注系統(tǒng)用LabVIEW編程。
LabVIEW是靠圖形化編程,其風(fēng)格直觀形象,故稱這類虛擬儀器設(shè)計軟件的開發(fā)工具為圖形化編程語言。 LabVIEW通用性強,測控兩方面功能比較均衡,用其軟件開發(fā)研華的PCI-1756、 PCI-1710卡時,效果較好。
下圖該液位加注系統(tǒng)的控制界面。
圖4 液位加注系統(tǒng)的界面
3.2.3 體積管自動加注過程
剛開始時,因為體積管內(nèi)只有大氣壓,壓差極大,所以開始要增加P2,控制較小的流量。0.6s后減小P2,流速開始上升。當(dāng)液位到達(dá)減速位后,又要增加P2,使流速減慢,當(dāng)?shù)酵V刮缓?,閥門關(guān)閉,加注過程結(jié)束。
圖5 自動加注過程
[1]郭霄峰.液體火箭發(fā)動機試車[M].宇航出版社,1990.
[2]孔德斌,周慶元.體積管在小流量和脈沖流量測量中的應(yīng)用[J].青年科技論文競賽優(yōu)秀論文集.上??臻g推進研究所,2003.
[3]BTL目錄.http://www.balluff.com.cn.
[4]Robert H.Bishop著.LabVIEW7實用教程[M].喬瑞萍,林欣,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.